生物流體灌注(Perifusion) 系統自動(dòng)進(jìn)行細胞分泌分析

Biorep生物流體灌注系統

挑戰：增進(jìn)細胞分泌分析的處理能力和可重復性，這種分析常被用于第一型糖尿病研究中的胰島細胞的分析。

解決方案：使用NI的LabVIEW軟件和CompactRIO 硬件，創(chuàng )建一個(gè)自動(dòng)生物流體灌注(Perifusion) 系統。它能實(shí)現全面的環(huán)境控制,刺激不同細胞類(lèi)型,并在符合可編程協(xié)議的情況下能夠自動(dòng)收集分泌物。

只用了3個(gè)月，我們VI設計組的克里斯?佛朗達（Chris Fronda）就能使用 LabVIEW和CompactRIO 來(lái)控制一個(gè)復雜的自動(dòng)化醫療儀器。

Biorep技術(shù)股份有限公司（Biorep Technologies Inc.）需要設計一種設備用來(lái)隔離胰臟中特定細胞（胰島細胞）。隔離過(guò)程非常復雜，需要超過(guò)20 種不同的裝置，其中5種需高度自動(dòng)化。在目前，這些自動(dòng)化裝置是使用不同的平臺與可編程語(yǔ)言來(lái)完成的，比如，一種語(yǔ)言用于控制器、另一種用于觸摸屏、第三種語(yǔ)言用于電機驅動(dòng)、第四種語(yǔ)言用于步進(jìn)器驅動(dòng)。隨著(zhù)公司的發(fā)展，這樣的設計方式造成了很多問(wèn)題。由于采用了多種語(yǔ)言環(huán)境，所以需要不同的學(xué)習曲線(xiàn),冗長(cháng)的程序說(shuō)明文件，而且不同平臺間需要不同的通訊協(xié)議，非常沒(méi)有效率。

考慮到NI的產(chǎn)品在近年來(lái)有著(zhù)非常巨大的發(fā)展，能夠滿(mǎn)足我們的功能需求，我們決定采用功能強大的LabVIEW圖形化系統設計軟件來(lái)實(shí)現所有的自動(dòng)化裝置。這樣，絕大部分的自動(dòng)化裝置都能夠在一個(gè)軟件平臺上完成，所以工程師只需要學(xué)習一種語(yǔ)言，并且也能簡(jiǎn)化設備的工作流程。此外，LabVIEW還提供了先進(jìn)的軟件調試工具，并使設備具備了遠程調試功能，幫助我們縮短調試時(shí)間，并避免長(cháng)途旅行，換算下來(lái)相當于節省了超過(guò)10,000美金的成本。LabVIEW平臺的使用，對我們的效率和開(kāi)發(fā)能力造成了很大的影響。

只用了3個(gè)月，我們VI設計組的克里斯?弗朗達（Chris Fronda）就能使用 LabVIEW和CompactRIO 來(lái)控制一個(gè)復雜的自動(dòng)化醫療儀器，其中包括多軸運動(dòng)控制 (步進(jìn)電機)、精準的培養箱溫度控制和復雜的液體處理功能(電子閥數組控制)。VI設計組使用LabVIEW Real-Time模塊與LabVIEW FPGA模塊開(kāi)發(fā)了軟件架構。公司還使用LabVIEW NI SoftMotion模塊(圖1)實(shí)現了系統的仿真，在虛擬原型上模擬真實(shí)的運動(dòng)軌跡，這使我們在花費成本制造實(shí)體原型之前，就先將設計進(jìn)行可視化和最優(yōu)化，并幫助我們評估不同的設計理念。依靠LabVIEW 和 CompactRIO，VI設計組將開(kāi)發(fā)時(shí)間從預計的12個(gè)月縮短至3個(gè)月，并且不用開(kāi)發(fā)定制的控制軟件與驅動(dòng)程序。

圖 1. SolidWorks下的 XY 機械結構

起初，我們開(kāi)發(fā)Biorep生物流體灌注系統（圖2）是為了測試試管內胰島能力的。之后，系統功能得以不斷擴充，還可以可測定來(lái)自胰腺源祖干細胞 ( pancreatic progenitor stem cells) 的分化細胞的分泌物。

圖 2. Biorep生物流體灌注系統

在研究細胞對刺激物的反應時(shí)(例如在糖尿病研究中細胞對藥物或葡萄糖的反應)，灌注對批次培養（batch incubation）有非常大的好處。在生物流體灌注系統中，會(huì )有刺激物不斷注入，研究中的細胞或細胞群所分泌的代謝物沖走。而在過(guò)去的批次培養中，這些代謝物會(huì )累積從而影響研究結果。

也有一些其它更先進(jìn)的方法，例如動(dòng)態(tài)量測，但它們并不實(shí)用，所以實(shí)驗室仍然使用批次培養的方法。Biorep技術(shù)股份有限公司（Biorep Technologies Inc.）與邁阿密大學(xué)糖尿病研究機構（Diabetes Research Institute at the University of Miami）開(kāi)發(fā)的自動(dòng)的生物流體灌注系統，可以簡(jiǎn)化實(shí)驗流程。它能實(shí)現全面的環(huán)境控制,刺激不同細胞類(lèi)型,并在符合可編程協(xié)議的情況下能夠自動(dòng)收集分泌物（圖3及圖4）。經(jīng)過(guò)測試，我們的生物流體灌注系統被證明是非常有價(jià)值的，可以在器官移植前，在試管內測試人類(lèi)胰島的生存能力。

圖 3. 協(xié)議監測界面

圖 4. 容器定位界面

目前，已有數個(gè)實(shí)驗室定期采用該系統來(lái)研究胰島細胞的激素分泌。然而，Biorep 生物流體灌注系統并不僅限于用在胰島分泌的研究。它還可用來(lái)測定其他類(lèi)型細胞的分泌，包括諸如干細胞這類(lèi)的單細胞。此外，它更成為了醫藥產(chǎn)業(yè)藥物研發(fā)過(guò)程中不可或缺的一部分。